Magnetismo cuántico - Revista Española de Física

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Temas de Física
Magnetismo cuántico
Javier Tejada Palacios
Se discuten algunos fenómenos magnéticos que tienen lugar en la frontera entre la
física clásica y la cuántica del momento angular. Los agregados de moléculas de alto
spin constituyen el campo más adecuado para tratar con objetos cuánticos embebidos
en sólidos. Aquí discutimos tres fenómenos relacionados con el efecto túnel de spin en
estos materiales.
Introducción
Hablar de magnetismo cuántico puede parecer, a primera
vista, algo redundante pues el
origen del magnetismo es pura
y exclusivamente cuántico. De
hecho, la interacción de Coulomb entre dos electrones depende de la orientación relativa
de sus espines y su cálculo
“cuántico” da perfecta cuenta
de la repulsión entre los dos
electrones cuando el espín total
es S = 1 o S = 0. En otras palabras, el acoplamiento ferromagnético (S = 1) o antiferromagnético (S = 0) se corresponden con una diferente energía
cuántica de la repulsión electrostática entre electrones.
El origen cuántico del magnetismo que se manifiesta a
nivel atómico y molecular se pierde cuando tratamos de
explicar los efectos magnéticos de los sólidos. Esto es así a
pesar de que la metáfora físico-matemática más correcta para
visualizar un sólido magnético sea la de una colección muy
grande de giróscopos cuánticos interactuando entre sí. Así
pues, ya de entrada nos podemos dar cuenta de la enorme
complejidad de los fenómenos magnéticos.
El magnetismo a nivel atómico intenta explicar la llamada interacción de intercambio que, por ejemplo, orienta paralelamente entre sí los espines atómicos. Curiosamente, la
mayoría de los problemas que se nos plantean a este nivel no
tienen solución matemática, tal es el caso, por ejemplo, de
los Hamiltonianos de Ising y Heisenberg. Por otra parte, las
propiedades macroscópicas de un sólido magnético que se
manifiestan en su ciclo de histéresis no pueden ser explicadas con teorías microscópicas pues dichas teorías lo único
que predicen es la existencia de una densidad de espín en el
interior de los sólidos. Para explicar las propiedades de los
sólidos magnéticos debemos abordar problemas tales como,
por ejemplo, discernir la configuración magnética en el equilibrio o explicar el movimiento de las paredes de dominio.
Para ello necesitamos "echar mano" de otras interacciones
mucho más débiles que están asociadas a la anisotropía
magnética o a la interacción dipolar o las interacciones de los
espines con defectos, electrones itinerantes o impurezas.
Para todas estas situaciones
reales no hay modelo cuántico
simple al que recurrir.
En este artículo pasaré revista
al sólido magnético de tamaño
nanométrico y veremos que al
estudiar dicho sólido podemos
recuperar las esencias cuánticas del magnetismo a la vez
que poner en paz las visiones
clásicas y cuánticas del
mismo.
Para comenzar lo obvio, el
portador elemental del magnetismo en los sólidos es el
electrón, cuyo momento magnético, predicho por la teoría cuántica, recibe el nombre de
magnetón de Bohr. En un sólido no magnético, el cobre por
ejemplo, los momentos magnéticos de los electrones están
orientados aleatoriamente en el espacio y se contrarrestan
entre sí. En un sólido magnético, el hierro, muchos electrones tienen sus momentos magnéticos orientados en una
misma dirección; sumados originan un momento magnético
macroscópico y constituyen el fenómeno del ferromagnetismo.
El origen cuántico del magnetismo que se manifiesta
a nivel atómico y molecular se pierde cuando tratamos de
explicar los efectos magnéticos de los sólidos.
En los sólidos magnéticos existen los llamados dominios
que tienen tamaños comprendidos entre el micrómetro y
décimas de milímetro. Los momentos magnéticos de los
electrones en el interior de un dominio son paralelos entre sí.
Entre cada par de dominios existe una pared de anchura
comprendida entre 0.01 y 0.1 micrómetros. La teoría electromagnética exige que aparezcan dominios para que el sólido alcance la mínima energía. En otras palabras, el estado de
mínima energía de un sólido magnético, en ausencia de
campo, se da cuando el momento magnético neto del sólido
es cero, lo que se consigue con la existencia de dominios de
orientación dispar. Así pues, un sólido magnético con un
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momento magnético neto es un imán que genera un campo
magnético en el espacio que lo rodea y que desaparecerá con
el transcurso del tiempo. La variación del momento magnético de los sólidos se hace por movimientos de las paredes de
dominio que se anclan en los defectos e impurezas que existen en los sólidos.
Un sólido magnético de tamaño nanométrico se comporta como un imán con un único dominio magnético cuyo
momento, M, satisface la regla de conmutación
Mi Mj – Mj Mi = 2iμB εijk Mk
(1)
Siempre que el valor de M sea mucho mayor que el magnetón de Bohr, podremos asumir que se cumple la commutación de las componentes de M entre sí y consecuentemente
su orientación se puede determinar con gran precisisón con
medidas macroscópicas. El caso de M de unas pocas decenas
de magnetones de Bohr entra de lleno en el campo de la
complementariedad entre la física clásica y la cuántica. La
posición de los polos norte y sur del imán nanométrico viene
determinada por la anisotropía magnética que marca la
dirección del eje de fácil imanación. Como consecuencia de
la invariabilidad de las leyes de la física ante una inversión
temporal, el imán mesoscópico posee, en ausencia de campo
externo, la misma energía en cualquiera de los dos estados
obtenidos del intercambio de los polos. Es decir, E(M) =
E(–M) porque aunque M cambia de signo en la transformación t → –t, la energía no se modifica. Además, las energías
E(M) y E(–M) son mínimas y entre las dos orientaciones M
y –M existe la denominada barrera de anisotropía magnética.
El valor del momento magnético M viene determinado
por la energía de acoplamiento entre espines εexch la cual
tiene su origen en los elementos de matrix no diagonales de
la interacción de Coulomb entre electrones de átomos vecinos, eexch. Esta interacción es del orden de la temperatura
de Curie. Así pues, la probabilidad de que un espín invierta
su orientación es proporcional a exp(–εexch/T), por lo que si
el sólido poseyera, por ejemplo, una temperatura de Curie de
300 K y se enfriara hasta 1K, dicha probabilidad sería nula a
todos los efectos. Es decir, a bajas temperaturas el momento
magnético de un sólido nanométrico ferromagnético es un
vector de módulo constante. Así pues, la rotación de dicho
momento magnético como un todo se puede producir sin
modificar la energía del acoplamiento magnético entre espines, pero se necesita una energía para vencer la de anisotropía magnética. Si el momento magnético del imán
namométrico es de unas pocas decenas de magnetones de
Bohr podremos utilizar tanto la descripción clásica como
cuántica para explicar la dinámica del momento magnético
M(r). Vaya por delante que el aspecto más novedoso e
importante de los imanes nanométricos es que la reorientación de sus polos magnéticos tiene lugar, a bajas temperaturas, por efecto túnel (1). Siendo un poco más rigurosos
habría que decir que el efecto túnel del espín electrónico acarrea la inversión de los espines de los núcleos atómicos, por
lo que hay que tener en cuenta el acoplamiento hiperfino.
Pero es que además, el imán nanométrico debe estar firmemente acoplado a una matriz para que así se absorba, sin pérdida de energía, la transferencia de momento angular que
conlleva el paso por efecto túnel de M a –M. Es decir, si
cambia el espín debe variar el momento angular orbital para
que el momento angular total se mantenga constante y consecuentemente la matriz es la que absorbe el cambio en la
energía de rotación permitiendo así la conservación de la
energía en el efecto túnel.
El aspecto más novedoso e importante de los imanes
nanométricos es que la reorientación de sus polos
magnéticos tiene lugar, a bajas temperaturas, por efecto
túnel.
Estudiar el efecto túnel del momento magnético de un
imán mesoscópico en el que hay decenas o centenares de
átomos y miles de electrones entra dentro del ámbito de lo
que Caldeira y Leggett (2) denominaron efecto túnel
macroscópico. Es decir, dado el tamaño "nada cuántico" del
objeto hay que lidiar con el estudio de efectos cuánticos en
presencia de disipación. La Mecánica Cuántica nos dice que
la probabilidad de efecto túnel de un objeto decrece como
exp(–A/h) siendo A la acción asociada al "tuneleo". Para
objetos muy másicos, A>>h y en consecuencia la probabilidad de que ocurra el efecto túnel de un objeto grande es muy
pequeña. En el caso del momento magnético, la cantidad
análoga a la masa es el momento de inercia asociado con la
rotación de M y en algunos casos es lo suficientemente
pequeño como para permitir que ocurra el efecto túnel del
momento magnético aunque éste sea un vector clásico.
Los mejores ejemplos de imanes nanométricos los tenemos en las llamadas partículas monodiminio y en los clusters
moleculares de alto espín. Los clusters moleculares contienen moléculas que se pueden caracterizar por un Hamiltoniano de espín cuyos términos se determinan por medidas
de resonancia paramagnética electrónica. En primera aproximación dicho Hamiltoniano tiene la forma
H = – DSz2 + H' + gμB S.H
Figura 1. Espectro de energía de los niveles Sz a ambos
lados de la barrera de anisotropía.
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(2)
El primer término de este hamiltoniano corresponde al de
anisotropía uniaxial dominante que fija la dirección del eje
de fácil imanación, eje z, y además determina, en una visión
clásica, la altura de la barrera de energía, U= DS2 que existe
entre las dos orientaciones de espín, la de arriba o Sz = + y la
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Figura 3. Variación periódica de la barrera de anisotropía por efecto
túnel a través de diferentes niveles Sz del pozo metastable.
Figura 2. Curvas de magnetización a diferentes temperaturas de
un monocristal de Mn12. Los saltos de magnetización se producen en
los campos magnéticos resonantes. Así pues, el efecto túnel de espín
se hace "visible" macroscópicamente.
de abajo o Sz = –. En otras palabras, este primer término
genera una serie de niveles de espín degenerados en energía
a ambos lados de la barrera de anisotropía magnética, ver
Figura 1. El segundo término H' responde a desviaciones respecto a la anisotropía uniaxial dominante y posee, en general, potencias pares de los operadores Sx y Sy. El último término representa la interacción Zeeman entre el espín S de las
moléculas y el campo magnético resultante del aplicado, de
la interacción hiperfina con los espines nucleares y el resultante de la interacción dipolar entre diferentes moléculas. El
campo magnético H tiene pues, en general, componentes
logitudinal, en la dirección del eje de fácil imanación, y
transversal, en dirección perpendicular al eje fácil. Así pues,
los dos últimos sumandos de (2) poseen operadores de espín
que no communtan con Sz y son, en consecuencia, los responsables del efecto túnel de espín entre los estados de Sz
con la misma energía a ambos lados de la barrera.
Clásicamente una molécula de éstas es pues como un imán
nanométrico cuyo momento magnético sólo posee 2S + 1
orientaciones respecto al eje de fácil imanación y cada orientación se corresponde con un nivel de energía en uno de los
dos en uno u otro pozo que separa la barrera de anisotropía.
La separación energética entre los niveles de espín dentro de
cada pozo es D(2S–1) y el llamado campo magnético de anisotropía magnético que es el que cierra el ciclo de histéresis
es Han = 2DS/gμB. Así pues, el Hamiltoniano de espín nos
sirve para tratar el problema cuánticamente pero a la vez
recuperar la visión clásica vectorial del momento magnético.
Un monocristal de estas moléculas posee la simetría de la
molécula lo que supone disponer del número de Avogadro de
imanes nanométricos iguales poseyendo todos ellos la
misma dirección de cuantización que es la del eje de fácil
imanación. Los resultados experimentales deben, así pues,
poderse explicar cuantitativamente y sin ayuda de parámetros de ajuste. En otras palabras, los clusters moleculares son
objetos únicos en la Física de los sólidos pues es posible llegar a una correlación total entre teoría y experimento y constituyen, en cosecuencia, uno de los mejores laboratorios para
explorar la complementariedad entre la Física Clásica y la
Cuántica.
Las dos primeras evidencias experimentales de que el
espín electrónico de estas moléculas se invierte por efecto
túnel se obtuvieron de medidas de imanación versus campo
magnético y de relajación de la magnetización hacia el equilibrio al cambiar el campo a diferentes temperaturas (3, 4),
ver Figura 2. Los saltos de magnetización ocurren a valores
del campo aplicado que son múltiplos enteros de H0 = Han/2S
y se corresponden con los valores del campo magnético para
los cuales los niveles de Sz de los dos pozos de potencial
están degenerados. En otras palabras, por una parte tenemos
la activación térmica que es la responsable de que existan
moléculas en los diferentes estados de Sz y por otra tenemos
la acción del campo magnético externo que se desequilibra
los dos pozos. El efecto túnel del espín aparece para los valores de campo resonante nH0 (n = 0,1,2....) y se produce por
el nivel para el cual la probabilidad de efecto túnel es mayor
que la probabilidad de que se pueble térmicamente el nivel
justo encima de él, ver Figura 3.
Estamos en el inicio de un nuevo campo de investigación que en el futuro extenderá sus redes a diversos
aspectos de la Mecánica Cuántica y de las aplicaciones
tecnológicas.
La relajación de la magnetización de un monocristal al
pasar, por ejemplo, de la magnetización de saturación al estado de magnetización nula, sigue una ley exponencial análoga a la desintegración nuclear siendo la constante del decaimiento la probabilidad de transición entre niveles Sz de los
dos pozos a ambos lados de la barrera de anisotropía.
Cuando la transición ocurre por efecto túnel tiene lugar por
un nivel inferior de lo que correspondería térmicamente.
Pues bien, de medidas de relajación a diferentes temperaturas y campo se puede determinar la barrera efectiva del cambio de espín, ver Figura 3. Como puede verse en dicha figura, la barrea efectiva de anisotropía es menor para los valores de campo resonante nH0 lo que se corresponde con un
tránsito más rápido.
En los últimos años han sido muchos los trabajos publicados por experimentales y teóricos buscando la "estructura
fina" de este nuevo efecto (5-12). Desde el punto de vista
teórico, existen trabajos que explican cuantitativamente
"todo" lo encontrado experimentalmente. Así pues y por
ejemplo, se conoce, casi exactamente, el nivel por el que se
produce el efecto túnel a diferentes temperaturas y campos
resonantes, la influencia de los espines nucleares y de la
absorción y emisión de fonones en dicho efecto y además se
ha teorizado y demostrado experimentalmente que la exis-
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efecto túnel entre los niveles Sz = 10 y Sz = –10. Para aumentar la probabilidad de túnel entre los dos estados de espín hay
que aumentar la componente transversal del campo magnético. Pues bien cuando dicha componente vale 2.25 T la separación energética entre los niveles obtenidos de la suma
simétrica y antisimétrica de dichos estados es de 680 MHz.
Pues bien, experimentalmente se ha visto que fotones con
esta frecuencia son absorbidos por las moléculas sometidas
al campo externo comentado y además se ha determinado
con exactitud las funciones de onda de los estados simétrico
y antisimétrico entre los que ocurren las oscilaciones cuánticas del espín S=10. En definitiva, el espín de un cluster
molecular se comporta como el metafórico gato de
Schrödinger.
Figura 4. Variación de la probabilidad de efecto túnel entre los
niveles Sz = –10 y Sz =10–n de un monocristal de Fe8.
tencia de defectos en los monocristales afecta la probabilidad
de efecto túnel a través del acoplamiento elástico espínfonón. En una palabra que el efecto túnel de espín en clusters moleculares está bien conocido y verificado. Pero no por
eso se ha llegado al final del camino, más bien estamos en el
inicio de un nuevo campo de investigación que en el futuro
extenderá sus redes a diversos aspectos de la Mecánica
Cuántica y de las aplicaciones tecnológicas.
Pero volviendo al efecto túnel y a lo que se ha hecho
desde su descubrimiento (3, 4), me gustaría destacar tres trabajos por sus enormes repercusiones físicas. Por orden cronológico, el primero versa sobre interferencia cuántica (13),
el segundo sobre la coherencia cuántica de espín (14) y el
tercero sobre la llamada "superradiancia" (15, 16). En el trabajo de interferencia cuántica se estudió la probabilidad de
efecto túnel en un cluster molecular de Fe8 de espín S=10 en
función del valor campo magnético aplicado en la dirección
del eje de fácil imanación. En el trabajo de coherencia se
midió la absorción de fotones en función del valor del campo
magnético aplicado perpendicularmente al eje de fácil imanación. En el caso de la superradiancia, se ha sugerido teórica y experimentalmente que los clusters moleculares puede
emitir radiación de forma coherente:
El Hamiltoniano de espín del cluster de Fe8 es
H = – DSz2 + ESx2 – gμB S.H
(3)
z y x son los ejes de fácil y difícil imanación. Los valores de
D = 0.31 K y E = 0.092 K se conocen de medidas de resonancia paramagnética electrónica. La probabilidad de efecto
túnel depende de la rapidez como se varíe la componente
longitudinal del campo H y se puede calcular mediante la
fórmula de Landau-Zener (17). En la Figura 4 se muestra
como varía dicha probabilidad para diferentes valores de la
componente transversal de dicho campo para las transiciones
túnel entre los niveles Sz = 10 y Sz = –10 y Sz = 10 y Sz = –9.
Las oscilaciones observadas en la probabilidad de efecto
túnel en los dos casos junto con las diferencias observadas
entre las dos probabilidades, el máximo de una coincide con
el mínimo de la otra, ponen de manifiesto la clara dependencia de la probabilidad de efecto túnel en la paridad y es equivalente al caso de la supresión del efecto túnel en un espín
semientero.
El segundo experimento que quiero comentar es el de la
detección de las oscilaciones cuánticas del espín asociadas al
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Los clusters moleculares pueden ser los mejores candidatos para observar la superradiancia en una muestra
extensa de niveles cuánticos.
La última "gracia cuántica" de los clusters moleculares es
de reciente aparición (15,16). Se trata de la "superradiancia.
La idea de la superradiancia la publicó Dicke (18) hace ya
muchos años y desde entonces los físicos tratan de observarla, dominarla y hacerla tecnológicamente aplicable. En un
experimento de fluorescencia de átomos con dos niveles se
produce la emisión de radiación al producirse el decaimiento desde el estado excitado al fundamental siendo hw0 la
energía emitida. El fenómeno de la emisión espontánea se
explica mediante la interacción de los átomos con el campo
de radiación y se supone que los átomos son independientes
entre sí. Sabemos que la emisión de radiación en este caso
obedece la ley exponencial con un tiempo característico τsp
que es igual al inverso de la constante de decaimiento Γ. La
potencia emitida es I = NI0 siendo I0 = hw0/τsp y N es el
número de átomos.
En el caso de la superradiancia la emisión espontánea se
produce de forma mucho más rápida e intensa. Como
explicó Dicke, para que se produzca la superradiancia los
átomos deben estar en fase lo que se puede conseguir si existe una interacción entre dichos átomos. Pues bien, en el caso
de la superradiancia la potencia emitida es proporcional a N2
y además la energía se emite durante un corto periodo de
tiempo del orden de τsp/N. Está claro que la superradiancia
recuerda mucho a la luz láser pero tiene la ventaja sobre él
porque en principio no se necesitan "espejos", ni la inversión
de población ni tampoco nos tenemos que preocupar de los
mecanismos de relajación. Sólo hay que reflexionar sobre la
coherencia de fase de los átomos por efecto de su interacción
con el campo de radiación. Esta correlación atómica se asemeja mucho a la correlación espín-espín que aparece en los
ferromagnetos. El origen de este orden fásico es genuinamente cuántico, pero la emisión de radiación de radiación
obedece las leyes "clásicas" de forma análoga a la emisión
de radiación en fase de una antena en un medio. En otras
palabras, la superradiancia es un fenómeno que se origina a
partir de un "orden cuántico macroscópico".
Los clusters moleculares pueden ser los mejores candidatos para observar la superradiancia en una muestra extensa
de niveles cuánticos. En efecto, un monocristal de estos clusters posee unas dimensiones de 1 mm3 y los niveles de
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energía de los diferentes estados de espín están separados
por energías de decenas de meV. En otras palabras, la longitud de onda de los fotones emitidos es del orden del tamaño
del cristal favoreciéndose así la posibilidad de tener una emisión en fase por una gran parte de las moléculas del monocristal.
Observar la superradiancia en clusters moleculares puede
resultar, sin embargo, difícil pues es más probable que el
decaimiento entre dos niveles Sz genere fonones que fotones.
Este es uno de los inconvenientes de estudiar fenómenos
cuánticos en los sólidos en los que "mandan" los fenómenos
de decoherencia cuántica. Así que, ¿cómo observar la emisión de superradiancia por monocristales de clusters moleculares? En principio, dos son las opciones experimentales:
1) Producir una rápida variación periódica del campo
magnético longitudinal en torno a un campo resonante con el
fin de tener un gran número de transiciones túnel y así disponer del mismo número de moléculas en el mismo nivel de
energía. El decaimiento coherente se puede dar al considerar
el tamaño del cristal y la interacción entre sus moléculas,
2) aplicar un campo longitudinal resonante a un monocristal
que está entre dos espejos de microondas, los pocos fotones
que se emiten pueden vivir el suficiente tiempo como para
que cooperen coherentemente entre sí y producir el orden
fásico entre las moléculas.
Así pues, volvemos a enlazar con los fenómenos cuánticos macroscópicos a través de esa idea de sólido magnético
hecho de osciladores cuánticos: la coherencia de fase de un
número macroscópico de dichos osciladores puede dar lugar
a la superradiancia. Este nuevísimo campo de investigación
puede generar muchas alegrías a los científicos.
Para concluir, los imanes nanométricos representan, en
mi opinión, el mejor campo de pruebas de cuantas ideas tengamos para ilustrar la física de ejemplos cuánticos a nivel
nanométrico. En definitiva, el magnetismo no solamente es
cuántico sino que además la variedad cuántica que muestra
el comportamiento de los imanes nanométricos es una bendición para teóricos y experimentales y quién sabe si también lo será para los tecnólogos.
Referencias
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[18] R. H. DICKE, Phys. Rev. 93, 99 (1954).
Javier Tejada Palacios
está en el Dpto. de Física Fundamental de la
Universidad de Barcelona.
LIBROS Y PUBLICACIONES RECIBIDOS
• Lee a Julio Verne-El amor
en tiempos de criptografía.
Susana Mataix. Rubes Editorial,S.L. 2002. 157 pp.
• El cambio global. Martí
Boada y David Saurí.
Rubes Editorial, S.L. 2002.
144 pp.
• Del flogisto al Oxígeno.
John Cartwright. Fundación
Canaria Orotava de Historia
de la Ciencia. 2002. 53 pp.
• Electromagnetismo. Victoriano López Rodríguez.
UNED. 923 pp.
• The European Physical
Journal. Vol. 22. nº 1. enero
2003.
• Real Academia de Ciencias
Exactas, Físicas y Naturales. Anuario 2003.
• The European Physical
Journal B. Vol. 30. nº 3
• Revue Etijdschrift. Nº 2.
2002.
• Física y Sociedad. Revista
del Colegio Oficial de
Físicos. Nº 13. 2002.
• Ibérica, actualidad tecnológica. Nº 457. 2002.
• Fismat. Vol. IX. Nº 12.
2002.
http://www.ucm.es/info/rsef
• Europhysics News. Vol. 33.
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• Physics World. Vol. 16. nº
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REF Enero-Febrero 2003
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